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Arquitecturas de Calidad de Servicio:DiffServ e IntServ
Planificacion y gestion de redes de ordenadores
Departamento de Sistemas Telematicos y Computacion (GSyC)
Octubre de 2012
Departamento de Sistemas Telematicos y Computacion (GSyC) - Octubre de 2012DiffServ e IntServ 1
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Contenidos
1 Introduccion
2 IETF Differentiated Services
3 IETF Integrated services
4 DiffServ vs IntServ
5 Referencias
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Introduccion
Contenidos
1 Introduccion
2 IETF Differentiated Services
3 IETF Integrated services
4 DiffServ vs IntServ
5 Referencias
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Introduccion
DiffServ vs IntServ
DiffServ: Los paquetes se marcan a la entrada de la redDiffServ, segun diferentes categorıas o clases. Entre diferentesclases se establecen diferentes parametros de QoS. En unamisma clase se agregan diferentes flujos que recibiran elmismo tratamiento de QoS.
IntServ (RSVP): antes de utilizar la red es necesario solicitaruna reserva de recursos a lo largo de todo el camino por elque circularan los paquetes, desde el origen al destino. Seobtiene una garantıa de que se va a conseguir cierta QoS.
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IETF Differentiated Services
Contenidos
1 Introduccion
2 IETF Differentiated Services
3 IETF Integrated services
4 DiffServ vs IntServ
5 Referencias
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IETF Differentiated Services
IETF Differentiated Services (DiffServ)
Buscamos ofrecer clases de servicio cualitativas con uncomportamiento particularizado para cada clase, como si cadauna tuviese un medio de transmision en exclusiva
Escalabilidad: funciones simples en el nucleo de la red yrelativamente complejas en los routers de frontera o en losterminales
La senalizacion empleada en redes de conmutacion de circuitoscomo la red telefonica requiere manterner informacion deestado en el router para cada flujoNo escala si hay muchos flujos
La arquitectura Differentiated Services (DiffServ) del IETF nodefine clases de servicios concretas sino que ofrececomponentes funcionales que permiten construir clases deservicio
IETF: Internet Engineering Task Force
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IETF Differentiated Services
Arquitectura de DiffServ
Router frontera
Router del nucleo de la red
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IETF Differentiated Services Router Frontera
Contenidos
1 Introduccion
2 IETF Differentiated ServicesRouter FronteraRouter del Nucleo
3 IETF Integrated services
4 DiffServ vs IntServ
5 Referencias
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IETF Differentiated Services Router Frontera
Router frontera (Edge Router)
Realiza clasificacion de paquetes y acondicionamiento(shaping/policing) del trafico
Se usa tambien un token bucket con granularidad de flujoEn este caso el token bucket se usa para adecuar el traficoinyectado a lo contratado
Marca los paquetes como in-profile o out-profile en funcion desi respetan o no lo acordado (lımites de tasa promedio, depico,...)
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IETF Differentiated Services Router Frontera
Arquitectura de DiffServ en Router Frontera
1 En primer lugar los paquetes que llegan alrouter de frontera se clasifican:
El clasificador selecciona los paquetesbasandose en los valores de uno o mascampos de la cabecera del paquete(direccion origen, destino, puerto origen,destino, identificador de protocolo)
2 A continuacion se marcan en diferentescategorıas o clases.
3 Puede ser deseable limitar la tasa deinyeccion de trafico para alguna de las clasesde servicio:
El usuario declara un perfil de trafico (tasade pico, tasa promedio, tamano de rafaga)usando la abstraccion de la cubetaEl trafico es medido y acondicionado (si norespeta el perfil de trafico declarado sedescarta, o se marca como out-profile)
r
b
marking
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IETF Differentiated Services Router Frontera
Marcado del trafico DiffServ en la cabecera IPv4
Los paquetes se marcan en el campo de 8 bits Type of Service(ToS) de IPv4
!"#$%&'(()*'+%,-.(
/01"/"#0((23*(."($"#!%/%*( )*'+%,-.(,*,0)(.0,0+#040(
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Cabecera
IP
D
ato
s IP
0 4 8 16 31
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IETF Differentiated Services Router Frontera
Marcado del trafico DiffServ en la cabecera IPv6
Los paquetes se marcan en el campo de 8 bits clase de traficode IPv6
Ver$Clase$de$tráfico$
E0queta$de$flujo$
Longitud$de$datos$
Siguiente$cabecera$
Límite$de$saltos$
Dirección$Des0no$(128$bits)$
64$bits$
Dirección$Origen$(128$bits)$
4$$$$$$$$$$8$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$20$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$16$$$$$$$$$$$$$$$8$$$$$$$$$$$$$$$$$8$
Datos$
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IETF Differentiated Services Router Frontera
Marcado del trafico DiffServ: campo DSCP
Se usan 6 bits para identificar Differentiated Service CodePoint (DSCP) que determinan el comportamiento por salto(PHB, Per-Hop Behavior) que recibira el paquete en losrouters de la red DiffServ.
Quedan los 2 bits menos significativos del campo ToS que nose usan para DiffServ, sino para la notificacion de congestion(Explicit Congestion Notification, ECN). ECN es utilizadoconjuntamente por los extremos de una conexion TCP y losrouters intermedios que usan la disciplina de cola RED,Random Early Detection.
DS5$ DS4$ DS3$ DS2$ DS1$ DS0$ ECN$ ECN$
DSCP%(6%bits)%
Prio:%%
DS5$ DS4$ DS3$
7$ 1$ 1$ 1$
6$ 1$ 1$ 0$
5$ 1$ 0$ 1$ Express$Forwarding$(EF)$
4$ 1$ 0$ 0$ Assured$Forwarding$(AF),$clase$4$
3$ 0$ 1$ 1$ Assured$Forwarding$(AF),$clase$3$
2$ 0$ 1$ 0$ Assured$Forwarding$(AF),$clase$2$
1$ 0$ 0$ 1$ Assured$Forwarding$(AF),$clase$1$
0$ 0$ 0$ 0$ Best$Effort$(BE)$
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
Contenidos
1 Introduccion
2 IETF Differentiated ServicesRouter FronteraRouter del Nucleo
3 IETF Integrated services
4 DiffServ vs IntServ
5 Referencias
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
Router del Nucleo de la red
Realiza funciones con una granularidad de clase de trafico enfuncion de la marca que trae cada paquete y no en funcion decada flujo (origen y destino). Todos los paquetes de cada claseson tratados igual.
Se encola y se planifica el envıo de cada paquete basandose enlas marcas que pusieron en los paquetes los routers de frontera
Se da preferencia a los paquetes marcados como in-profile
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
Arquitectura de DiffServ en Router del Nucleo de la red
scheduling
.
.
.
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
Comportamiento por salto (PHB)
Cada clase de trafico (DSCP) esta asociado a un comportamiento por salto(PHB, Per Hop Behavior). El PHB determina el tipo de tratamiento que se leva a dar al paquete en el reenvıo:
Reserva de recursos: buffer y ancho de banda.Caracterısticas del trafico: retardo y perdidas.
Existen los siguientes grupos de PHB asociados al campo DSCP:
EF (Expedited Forwarding): DSCP=101110
Bajas perdidas, baja latencia, bajo jitter, simiar a una lınea de datos alquilada.
VA (Voice Admit): DSCP=101100
Similar a EF que anade un mecanismo de control de admision de llamadas.
AF (Assured Forwarding): 4 clases (AF1, AF2, AF3, AF4)
Se proporciona cierta garantıa de entrega siempre y cuando se cumpla el acuerdoentre cliente y proveedor sobre el trafico enviado.Define 4 clases. Prioridad AF4 > Prioridad AF3 > Prioridad AF2 > Prioridad AF1.
DF (Default Group): DSCP=000000
IP Best Effort (compatible con trafico que no es DiffServ)
CS (Class Selector): usa los 3 primeros bits DSCP=XXX000 para definirprioridades (compatible con el antiguo ToS).
Menor prioridad = 000000 a mayor prioridad = 111000
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
PHBs definidas actualmente en DiffServ
PHB de Reenvıo Acelerado (Expedited Forwarding (EF))
EF: “La tasa de salida de una clase de trafico de un router tieneque ser igual o mayor que una tasa configurada.”Es decir, durante cualquier intervalo de tiempo a la clase detrafico se le garantiza que recibira el suficiente ancho de bandacomo para que la tasa de salida del trafico sea igual o mayor quela tasa mınima configuradaSe proporciona la ilusion de un enlace logico con una tasa mınimagarantizadaEl comportamiento por salto EF implica cierta forma deaislamiento entre las clases de trafico, ya que esta garantıa seimplementa independientemente de la intensidad de trafico delresto de clasesSe puede implementar en los routers de diversas formas: dandoprioridad estricta a los paquetes EF o dandole peso a una cola EFsi se usa weighted fair queuing (WFQ)
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
PHBs definidas actualmente en DiffServ
PHB de Reenvıo Garantizado (Assured Forwarding (AF))
AF es mas complejo que EF
Define cuatro clases de trafico con las que se marcan lopaquetes en los router frontera usando el DSCP: AF1, AF2,AF3, AF4
A cada clase le garantiza que recibira cierta cantidad mınimade ancho de banda y buffering usando WFQ
Variando la cantidad de recursos asignados a cada clase(pesos de colas en WFQ) un ISP puede proporcionardiferentes niveles de rendimiento a las distintas clases detrafico AF con el siguiente criterio:
Prioridad AF4>Prioridad AF3>Prioridad AF2>Prioridad AF1
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
PHBs definidas actualmente en DiffServ
PHB de Reenvıo Garantizado (Assured Forwarding (AF))
Cuando en una clase AF se produce congestion (aumenta eltamano de las colas), un router elimina paquetes basandose ensus valores de preferencia de eliminacionDentro de cada clase los paquetes vuelven a clasificarse en trescategorıas de preferencia de eliminacion (o prioridad de descarte),usandose el DSCP para determinar la categorıa (4 clases x 3categorıas de preferencia de eliminacion = 12 valores de DSCPdistintos).
R1
R2
1.5 Mbps link
1 Mbps phone
1 Mbps phone
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IETF Differentiated Services Router del Nucleo
Clases de trafico AF
DSCP% Prioridad%de%%descarte%de%tráfico%
Clase%1%AF11$ 001%010$ Baja$
AF12$ 001%010$ Media$
AF13$ 001%100$ Alta$
Clase%2%AF21$ 010%010$ Baja$
AF22$ 010%100$ Media$
AF23$ 010%110$ Alta$
Clase%3%AF31$ 011%110$ Baja$
AF32$ 011%110$ Media$
AF33$ 011%110$ Alta$
Clase%4%AF41$ 100%110$ Baja$
AF42$ 100%110$ Media$
AF43$ 100%110$ Alta$
Clase$menos$prioritaria$
Clase$más$prioritaria$
Cuando se usa el servicio AF, la red DiffServ puede aplicar policing/shaping en laentrada a la red marcando el trafico del usuario con diferentes prioridades dedescarte dentro de una clase, dependiendo de la cantidad de trafico que no cumplael contrato establecido.
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IETF Integrated services
Contenidos
1 Introduccion
2 IETF Differentiated Services
3 IETF Integrated services
4 DiffServ vs IntServ
5 Referencias
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IETF Integrated services
Introduccion
El marcado y vigilancia de paquetes, el aislamiento de traficoy la planificacion en el nivel de enlace pueden proporcionaruna clase de servicio con mejor rendimiento que otra
Con ciertas disciplinas de planificacion como la planificacioncon prioridad, las clases de trafico inferiores son practicamente“invisibles” para la clase de trafico con prioridad mas alta
Con un dimensionamiento apropiado de la red, la clase deservicio de mas alta prioridad puede conseguir tasas deperdida de paquetes y retardos extremadamente bajos
Pero, ¿puede la red garantizar que un flujo activo determinadode alta prioridad continuara recibiendo dicho servicioindependientemente de la congestion la red? ¡NO!
No hay que olvidar que ningun mecanismo puede multiplicarel ancho de banda mas alla de la capacidad de cada enlace
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IETF Integrated services
Introduccion
Principio 4 de la QoS:
Si los recursos necesarios no siempre van a estar disponibles y esnecesario garantizar la calidad de servicio, se necesita un procesode admision de llamadas en el que los flujos declaren sus requisitosde QoS y, o bien se les admita en la red, o se les rechace enfuncion de si la red puede o no proporcionar la QoS requerida
R1
R2
1.5 Mbps link
1 Mbps phone
1 Mbps phone
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IETF Integrated services
Integrated Services (IntServ)
Trabajo del IETF entre 1995 y 1997
Desarrollaron especificaciones para un conjunto de clases deservicio disenadas para satisfacer los requisitos de diferentesclases de aplicaciones.
Para ofrecer QoS, IntServ se basa en un modelo de reserva derecursos por flujo en todo el trayecto que siguen los paquetesde dicho flujo.
Un flujo queda identificado por la direccion IP origen, ladireccion IP destino, el protocolo de nivel de transporte yopcionalmente el puerto destino.
La aplicacion es responsable de gestionar la reserva derecursos en la red.
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IETF Integrated services
IntServ: Clase de servicio Guaranteed service
SERVICIO GARANTIZADO
Para aplicaciones no elasticas que requieren que un paquetenunca se descarte y no llegue tarde
La red debe garantizar que el maximo retardo que cualquierpaquete puede experimentar tiene un valor especificado
La aplicacion puede entonces planificar cuando comenzar areproducir despues de empezar a recibir datos de un flujomultimedia que va siendo almacenado localmente antes decomenzar la reproduccion
Analogo a EF (expedited forwarding) de DiffServ.
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IETF Integrated services
IntServ: Clase de servicio Controlled load
SERVICIO DE CARGA CONTROLADA
Para aplicaciones elasticas que toleran retardos
Estas aplicaciones funcionan bien en redes pococongestionadas, reajustando cuanto buffering realizan antes decomenzar a reproducir adaptativamente segun los retardosobservados dinamicamente
Emula una red poco cargada aunque haya congestion.¿Como?
Con WFQ se aisla el trafico y con control de admision se limitala cantidad de trafico de tipo controlled load
Analogo a AF (assured forwarding) de DiffServ.
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IETF Integrated services
Mecanismos de IntServ
1 Flowspec: Se necesita un servicio para comunicar a la red eltipo de servicio requerido por cada aplicacion
Cualitativamente (ej. “quiero controlled load”) ocuantitativamente (“quiero retardo maximo de 100ms”)
2 Control de admision: la red tiene que decidir si puede o noproporcionar el servicio requerido
3 Protocolo de reserva de recursos (RSVP): las aplicaciones quegeneran el trafico y los elementos de la red tienen queintercambiar informacion como peticiones de servicio,flowspecs y el resultado de las decisiones de control deadmision (llamado senalizacion en redes de conmutacion decircuitos)
4 Disciplinas de planificacion: los routers tienen que cumplir losrequisitos especificados en los flowspec
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IETF Integrated services
Flowspecs
Dos partes diferenciadas:
TSpec (Traffic Specification): describe las caracterısticas deltrafico del flujo que se va a enviar usando la abstraccion de lacubeta con fichas (token bucket)RSpec (Request Specification): servicio que se requiere de lared. Ej. “Controlled load service”. Para “Guaranteed service”hay que especificar el lımite del retardo.
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IETF Integrated services
Ejemplo de TSpec
Un flujo A transmite con una tasa constante de 1MBps
especificacion con la abstraccion de la cubeta con fichas:r = 1MBps, b = 1Byte
Un flujo B transmite con una tasa promedio tambien de 1MBps perolo hace transmitiendo:
0’5 MBps durante 2 segundos2 MBps durante 1 segundo
r de la cubeta define la media a largo plazo, luego r tambien es 1MBpspara este flujo, pero para caracterizar el flujo B necesitamos un tamanob de cubeta de al menos 1MB:
durante los 2 primeros segundos transmite a 0’5MBps, ahorrando 1MB,que sumados a 1MB del tamano de la cubeta le permite enviar 2MBpsen el tercer segundo
Un mismo flujo se puede describir con diferentes combinaciones r,b decubetas. Ejemplo: el flujo A tambien se puede describir como el flujoB, pero se trata de usar el que describe de manera mas ajustada a larealidad
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IETF Integrated services
Ejemplo de TSpec
BW
Time
1
2
1 2 3
Flow A
Flow B
Flow A: r = 1 MBps, B=1 byte
Flow B: r = 1 MBps, B=1MB
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IETF Integrated services
Control de admision
Cuando un nuevo flujo quiere recibir un nivel de servicio elcontrol de admision decide si la TSpec y la RSpec se puedensatisfacer en funcion de los recursos actuales sin perjudiar alresto de flujos
La parte difıcil es decidir si aceptar o no un flujo.
Para guaranteed service es mas difıcil salvo que se dispongade WFQ en cada router
Para controlled load service se determina en funcion deheurısticos: “la ultima vez que permitı a un flujo con estaTSpec entrar en esta clase los retardos de la clase de traficosubieron demasiado ası que lo rechazo”
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IETF Integrated services
Protocolo de reserva de recursos RSVP
RSVP: Resource Reservation Protocol
RSVP es robusto ante fallos de encaminadores o enlacesgracias a que usa soft-state: la informacion que almacenan losrouters se borra si no se actualiza periodicamente
Soporta trafico multidifusion (multicast). Origen enaplicaciones de IP multicast como vat y vic
RSVP es orientado al receptor: cada receptor tiene unosrequisitos distintos para una misma transmision
Soft state + orientado al receptor permite flexibilidad alreceptor: es facil mandar nueva peticion con diferente RSpec.La antigua se borra sola pasado un tiempo.
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IETF Integrated services
Funcionamiento de RSVP
Antes de que el receptor pueda hacer una reserva:
El receptor tiene que conocer el tipo de trafico del emisorpara poder hacer entonces una reserva de recursos adecuada:necesita conocer la TSpec del emisor
El receptor necesita conocer la ruta que recorren lospaquetes desde el emisor al receptor para instalar en losrouters de ese camino las reservas.
El camino de ida no tiene por que ser igual al camino de vuelta.
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IETF Integrated services
Funcionamiento de RSVP
1 El emisor manda un mensaje PATH a los receptores por IP multicastcon la TSpec.
2 Cada encaminador por el que pasa el mensaje PATH se apunta elcamino inverso para poder hacer llegar luego mensajes de reserva delos receptores al emisor.
RSVP no es un protocolo de encaminamiento, no calcula rutas. Lospaquetes siguen el camino que indica la tabla de encaminamiento.
3 Tras recibir el mensaje PATH el receptor envıa de vuelta un mensajeRESV con la TSpec recibida del emisor y la RSpec con los requisitosdel receptor.
4 El paquete RESV viaja salto a salto, realizando el camino inverso dePATH. Cada router por el que pasa en el camino de vuelta decide sipuede satisfacer la RSpec y la propaga corriente arriba hacia elemisor, o la rechaza informando corriente abajo al receptor rechazado
5 El receptor tiene que actualizar periodicamente cada 30 segundos lareserva con mensajes RESV
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IETF Integrated services
Funcionamiento de RSVP
37
R
Sender 1
Sender 2
Receiver 1
Receiver 2
R R
R
PATH
PATH RESV
RESV
RESV (merged)
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IETF Integrated services
RSVP: comportamiento con varios receptores
Aprovecha el encaminamiento IP multicastMultiples receptores, un unico emisor: se fusionan corriente arriba lasreservas de varios receptores corriente abajo
Ejemplo:
El receptor A necesita reserva con retardo < 100msEl receptor B necesita reserva con retardo < 200ms
Si un router recibe primero la reserva de A, si puede admitirla, lapropaga corriente arriba hasta llegar al emisor. Si a continuacion recibela reserva de B, no hace falta que el router propague corriente arribaesta segunda reserva pues esta incluıda en la propagacion que hizo dela reserva de A.
Ejemplo:
El receptor A necesita reserva con retardo < 100msEl receptor B necesita reserva con retardo < 50ms
Si un router recibe primero la reserva de A, si puede admitirla, lapropaga corriente arriba hasta llegar al emisor. Si a continuacion recibela reserva de B, comprueba si puede admitido y en caso afirmativopropaga dicha reserva hacia el emisor.
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IETF Integrated services
RSVP: comportamiento con varios emisores
Multiples emisores, multiples receptores:
Los receptores tienen que recoger las TSpecs de todos losemisores y realizar una reserva suficientemente grande paratodos los emisoresDepende de la aplicacion: en una videoconerencia con 10participantes podemos suponer que solo 2 hablan a la vez ⇒receptores reservan para dos emisores y no para 10
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IETF Integrated services
RSVP: comportamiento ante fallos de routers
Los protocolos de encaminamiento descubriran nuevas rutasdel emisor al receptor
Los mensajes PATH se envıan tambien cada 30 segundos,pero un router los envıa antes si descubre que hay cambios ensu tabla de encaminamiento
En cuanto el receptor reciba el nuevo PATH podra utilizar elnuevo camino de vuelta corriente arriba para mandar susRESV, lo que reestablecera las reservas, caducandoautomaticamente las del camino que se abandona
Por tanto RSVP se adapta bien a los cambios en la topologıa
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DiffServ vs IntServ
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1 Introduccion
2 IETF Differentiated Services
3 IETF Integrated services
4 DiffServ vs IntServ
5 Referencias
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DiffServ vs IntServ
DiffServ vs IntServ
Aislamiento del trafico:
DiffServ: por clase de trafico, agregado de varios flujos.IntServ: por flujo.
Ambito de QoS:
DiffServ: dentro del dominioIntServ: entre origen y destino
Complejidad en la configuraciojn:
DiffServ: configuracion realizada a largo plazo para cada categorıa, deforma estatica.IntServ: configuracion realizada por flujo, en el momento en el que senecesita, de forma dinamica. Existen mensajes de senalizacion entre losrotures.
Escalabilidad:
DiffServ: en los rotures frontera se mantiene informacion para cadaflujo o agregados de flujos, en los rotures del nucleo se mantieneinformacion por cada clase.IntServ: cada router mantiene informacion de estado por cada flujo.
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Referencias
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5 Referencias
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Referencias
Referencias
James F. Kurose y Keith W. Ross, Redes de Computadores:un enfoque descendente, Pearson Educacion, 5a edicion.
Larry L. Peterson, Bruce S. Davie, Computer networks, asystems approach, edition 4. Morgan Kaufmann 2007.
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